一種生產鈦合金的方法
2023-06-02 16:23:21 1
一種生產鈦合金的方法
【專利摘要】本發明公開了一種生產鈦合金的方法，該方法包括：電解含有MgCl2和LiCl的熔鹽中的MgCl2，保證電解生成的金屬鎂沉入所述熔鹽中形成金屬鎂液層，將組成目標產物鈦合金中的各金屬元素的氯化物按照各金屬元素在鈦合金中的摩爾比混合均勻形成合金原料混合物，並將所述合金原料混合物與所述金屬鎂液層接觸，使金屬鎂將合金原料混合物中的金屬氯化物還原以得到鈦合金，電解的條件以及合金原料混合物的加入量使還原反應消耗金屬鎂的速率小於或等於電解產生金屬鎂的速率。本發明生產鈦合金的方法，原料來源廣、成本低，工藝流程短，可實現連續化生產，採用本方法生產的鈦合金，顆粒均勻並且其中各金屬元素含量穩定、分布均勻。
【專利說明】一種生產鈦合金的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種生產鈦合金的方法。
【背景技術】
[0002]鈦及鈦合金具有一系列優良特性,被廣泛用於航天、化工、電力、船舶、海水淡化及日常生活等諸多領域。目前鈦合金生產方法主要採用在海綿鈦中直接添加合金元素，經兩次真空重熔後製得，這種方法主要以高成本的海綿鈦、氫化鈦粉等為原料，加上真空熔煉條件苛刻且能耗很高等不利因素使得鈦合金價位居高不下，限制了其大規模的使用。[0003]W099/64638公開了一種生產鈦合金的方法，該方法將不同的金屬元素氧化物混合壓製成陰極，以石墨為陽極，於熔鹽CaCl2(可添加少量CaO)中實施電解，陰極中的氧元素在電場力的作用下向陽極遷移並在陽極上放電生成C0、C02、02，陰極剩餘的金屬元素成為鈦合金。如:李晴宇等採用分析純的TiO2和ZrO2混合壓製成型，經高溫燒結製備出陰極，石墨為陽極，於900°C的CaCl2中實施電解製備出TiZr合金。目前已有製備TiNi，Ti_10W，Nb3Sn，TiCr等合金的報導。但這種方法存在電流效率低、料塊中心脫氧不完全、難以實現生產連續化等問題，制約其發展。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是克服現有技術缺陷，以一種全新的思路生產鈦合金，提供一種成本較低、生產周期較短、能耗較低並能夠連續生產鈦合金的方法。
[0005]為了實現上述目的，本發明提供一種生產鈦合金的方法，其中，該方法包括:電解含有MgCl2和LiCl的熔鹽中的MgCl2，保證電解生成的金屬鎂沉入所述熔鹽中形成金屬鎂液層，將組成目標產物鈦合金中的各金屬元素的氯化物按照各金屬元素在鈦合金中的摩爾比混合均勻形成合金原料混合物，並將所述合金原料混合物與所述金屬鎂液層接觸，使金屬鎂將合金原料混合物中的金屬氯化物還原以得到鈦合金，電解的條件以及合金原料混合物的加入量使還原反應消耗金屬鎂的速率小於或等於電解產生金屬鎂的速率。
[0006]本發明提供的方法與現行工業化的鈦合金生產方法相比具有以下優點:原料來源廣、成本低、能耗低，工藝流程短，可實現連續化生產；還原反應在熔鹽底部的金屬鎂液層中進行，可有效的避免氣氛等帶來的汙染，同時，分離產物時利用液態鎂的流動性將其帶出，可操作性強；電解反應和還原反應同時發生利於提升整體工藝的效率，採用本方法生產的鈦合金，顆粒均勻並且其中各金屬元素含量穩定、分布均勻。
[0007]本發明的其他特徵和優點將在隨後的【具體實施方式】部分予以詳細說明。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0008]附圖是用來提供對本發明的進一步理解，並且構成說明書的一部分，與下面的【具體實施方式】一起用於解釋本發明，但並不構成對本發明的限制。在附圖中:
[0009]圖1是本發明提供的方法的一種實施方式的裝置示意圖。[0010]附圖標記說明
[0011]I陰極 2隔板
[0012]3陽極 4電解質熔池
[0013]5卸料部件6合金原料混合物加料部件
【具體實施方式】
[0014]以下對本發明的【具體實施方式】進行詳細說明。應當理解的是，此處所描述的【具體實施方式】僅用於說明和解釋本發明，並不用於限制本發明。
[0015]本發明提供一種生產鈦合金的方法，其中，該方法包括:電解含有MgCl2和LiCl的熔鹽中的MgCl2，保證電解生成的金屬鎂沉入所述熔鹽中形成金屬鎂液層，將組成目標產物鈦合金中的各金屬元素的氯化物按照各金屬元素在鈦合金中的摩爾比混合均勻形成合金原料混合物，並將所述合金原料混合物加入所述金屬鎂液層中，使金屬鎂將合金原料混合物還原以形成鈦合金，電解的條件以及合金原料混合物的加入量使還原反應消耗金屬鎂的速率小於或等於電解產生金屬鎂的速率。
[0016]根據本發明提供的方法，組成目標產物鈦合金中的各金屬元素的氯化物可表示為MClx，其中，M代表目標產物鈦合金中的各金屬元素(包括Ti)，M可以代表本領域中常見的組成鈦合金的元素，例如T1、Al、V、Mo、Zr、Sn、N1、Pd等。
[0017]本發明中金屬鎂與MClx發生以下還原反應:
[0018]xMg+2MClx — 2M 丨 +XMgCl2
[0019]根據本發明提供的方法，所述含有MgCljP LiCl的熔鹽中MgCljP LiCl的含量只需保證電解生成的金屬鎂能夠沉入所述熔鹽的底部形成金屬鎂液層即可，優選情況下，所述含有MgCl2和LiCl的熔鹽中MgCl2含量為10-30質量％，LiCl含量為70-90質量％。
[0020]根據本發明提供的方法，由於金屬鎂還原MClx的反應在所述熔鹽底部的金屬鎂液層中進行，液態的金屬鎂保證了還原反應所需的溫度，為了使還原反應的效果更好效率更高，優選所述含有MgCl2和LiCl的熔鹽的溫度高於金屬鎂的熔點而低於金屬鎂和所述含有MgCl2和LiCl的熔鹽的氣化溫度。進一步優選情況下，所述含有MgCl2和LiCl的熔鹽的溫度為 650-750°C。
[0021]根據本發明提供的方法，可以按照實際情況將組成目標產物鈦合金中的各金屬元素的氯化物按照各金屬元素在鈦合金中的摩爾比混合均勻形成合金原料混合物，為了使還原反應的效果更好效率更高，優選所述合金原料混合物為液態或氣態，優選為氣態。
[0022]根據本發明提供的方法，所述電解的條件可以根據本領域常規電解條件進行選擇，為了使反應效果更好效率更高，優選所述電解的條件包括電流強度為lkA-4kA，陰極電流密度為0.3-0.6A/cm2,陽極電流密度為0.3-0.6A/cm2。
[0023]根據本發明提供的方法，在電解過程中陽極會生成Cl2，為了避免生成的Cl2幹擾金屬鎂還原MClx的反應，優選，保證生成的Cl2不會接觸所述金屬鎂液層。
[0024]根據本發明提供的方法，該方法還可以包括從得到的含有鈦合金的熔鹽中將鈦合金分離的步驟。所述分離步驟可以 採用本領域常規的方式，優選，所述步驟在惰性氣氛中進行，所述惰性氣氛選自稀有氣體中的一種或多種。分離出的產品混合物中含有鈦合金並夾雜未反應的液態金屬鎂和含有MgCl2和LiCl的熔鹽，因此，可以用本領域常規的方法對鈦合金進行提純，例如可以採用蒸餾的方法或者溼法冶金處理的方法，優選採用蒸餾的方法，進一步優選，所述蒸餾的條件為溫度950-1000°C、壓力< 1PaA (PaA表示絕對壓力)、時間3-5h。
[0025]本發明提供的方法可以採用本領域常規的耐高溫電解裝置中進行，優選情況下，所述方法在如圖1所示的生產金屬鈦的裝置中進行，該裝置包括包括陰極1，隔板2，陽極3，電解質熔池4，卸料部件5和合金原料混合物加料部件6。使用該裝置可以更好的實現金屬鈦的連續生產並縮短生產周期。
[0026]根據本發明提供的方法，在所述電解質熔池4中，採用隔板2將陰極I和陽極3分隔開，以消除陰極I產生的金屬鎂和陽極3產生的Cl2發生的副反應。所述隔板2的材料可以為各種耐高溫材料，優選選自氮化硼、氮化矽和石墨中的一種；所述隔板2的形狀可以根據需要設計成各種形成。[0027]根據本發明提供的方法，所述陰極I和陽極2可以根據本領域常規選擇進行設置，所述陰極I的材料可以為常規耐高溫的電極材料，優選選自碳鋼、鈦和鑰中的一種。所述陰極I優選還具有添加熔鹽的功能，例如將陰極I做成中空管狀部件。所述陽極3可以根據本領域常規選擇進行設置，所述陽極3的材料可以為常規耐高溫的電極材料，優選選自石墨和碳化娃中的一種。
[0028]根據本發明提供的方法，在所述生產金屬鈦的裝置中，所述的合金原料混合物加料部件6可以為常規的合金原料混合物加料部件，例如為中空管狀部件，所述加料部件6的材料為常規耐高溫、耐腐蝕的材料，優選石英、氮化硼和剛玉中的一種。所述卸料部件5可以為本領域常規的排料裝置，例如可以為星型卸料器或鐘形閥。
[0029]以下將簡要描述該優選實施方式的生產鈦合金的過程。
[0030]a、在電解質熔池4內添加含有MgCl2和LiCl的熔鹽，接通電解電源，在陽極3上將不斷產生Cl2。同時，陰極2上也不斷產生金屬鎂，金屬鎂沉入含有MgCl2和LiCl的熔鹽中形成金屬鎂液層(例如可以為沉入電解質熔池4的底部)，電解一段時間後，通過合金原料混合物加料部件6向金屬鎂液層中加入合金原料混合物，控制其加入速率使還原反應消耗金屬鎂的速率小於或等於電解產生金屬鎂的速率。
[0031]b、還原反應產生的鈦合金粒沉入電解質熔池4的底部，待一段時間後，打開卸料部件5，排出產品混合物，並將其送入蒸餾工序或直接進行溼法冶金處理以分離除去其中的未反應的金屬鎂和含有MgCl2和LiCl的熔鹽，最後得到產品鈦合金，同時回收利用未反應的金屬鎂和含有MgCl2和LiCl的熔鹽。
[0032]以上詳細描述了本發明的優選實施方式，但是，本發明並不限於上述實施方式中的具體細節，在本發明的技術構思範圍內，可以對本發明的技術方案進行多種簡單變型，這些簡單變型均屬於本發明的保護範圍。
[0033]另外需要說明的是，在上述【具體實施方式】中所描述的各個具體技術特徵，在不矛盾的情況下，可以通過任何合適的方式進行組合，為了避免不必要的重複，本發明對各種可能的組合方式不再另行說明。
[0034]此外，本發明的各種不同的實施方式之間也可以進行任意組合，只要其不違背本發明的思想，其同樣應當視為本發明所公開的內容。
[0035]以下將通過實施例對本發明進行詳細描述。[0036]鈦合金的產品質量的測定方法如下:採用ICP光譜分析法測定其中的金屬元素；分光光度計法測定其中的氯元素；氮氫氧測定儀測定其中的N、H、O ;原子吸收法測定其中的Si ;碳硫分析儀測定其中的碳。
[0037]電解質回收率的計算方法如I式所示:
【權利要求】
1.一種生產鈦合金的方法，其特徵在於，該方法包括:電解含有MgCljP LiCl的熔鹽中的MgCl2，保證電解生成的金屬鎂沉入所述熔鹽中形成金屬鎂液層，將組成目標產物鈦合金中的各金屬元素的氯化物按照各金屬元素在鈦合金中的摩爾比混合均勻形成合金原料混合物，並將所述合金原料混合物與所述金屬鎂液層接觸，使金屬鎂將合金原料混合物中的金屬氯化物還原以得到鈦合金，電解的條件以及合金原料混合物的加入量使還原反應消耗金屬鎂的速率小於或等於電解產生金屬鎂的速率。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，所述含有MgCl2和LiCl的熔鹽中MgCl2含量為10-30質量％，LiCl含量為70-90質量％。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其中，所述含有MgCljPLiCl的熔鹽的溫度高於金屬鎂的熔點而低於金屬鎂和所述含有MgCl2和LiCl的熔鹽的氣化溫度，優選為650-750°C。
4.根據權利要求1所述的方法，其中，所述組成目標產物鈦合金中的各金屬元素包括Ti和選自Al、V、Mo、Zr、Sn、Ni和Pd中的一種或多種。
5.根據權利要求1所述的方法，其中，所述合金原料混合物為液態或氣態，優選為氣態。
6.根據權利要求1所述的方法，其中，所述電解的條件包括電流強度為lkA-4kA，陰極電流密度為0.3-0.6A/cm2,陽極電流密度為0.3-0.6A/cm2。
7.根據權利要求1或6所述的方法，其中，該方法還包括收集電解過程中在陽極生成的Cl2,以保證生成的Cl2不與陰極生成的金屬鎂接觸。
8.根據權利要求1或2所述的方法，其中，該方法還包括從得到的含有鈦合金的熔鹽中將鈦合金分離的步驟。
9.根據權利要求8所述的方法，其中，所述分離採用蒸餾的方法或溼法冶金處理的方法，優選採用蒸餾的方法。
10.根據權利要求9所述的方法，其中，所述蒸餾的條件為溫度950-1000°C、壓力(IPaA、時間 3-5h。
【文檔編號】C22C14/00GK103898356SQ201210571085
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2012年12月25日 優先權日:2012年12月25日
【發明者】朱福興, 彭衛星, 楊仰軍, 穆天柱, 周玉昌, 鄧斌, 閆蓓蕾, 趙三超, 穆宏波 申請人:攀鋼集團攀枝花鋼鐵研究院有限公司